18. Организация машины.
Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное распределение (построение) и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.
ЭВМ – это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы. Структурная схема ЭВМ представлена на рис.
Структурная схема ЭВМ
АЛУ – арифметико-логическое устройство
РОН – устройство регистров общего назначения
КЭШ – КЭШ память
УУ – устройство управления
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство
Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является фоннеймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения Фон Неймана.
Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Процессором управляет программа.
Промежуточные результаты сохраняются в РОН. КЭШ память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.
КЭШ память или память блокнотного типа представляет собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц, объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она делится на уровни: на КЭШ L1, L2 и L3 (Еn = 2-4Мбайт с временем доступа 8-10 тактов).
КЭШ память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Основной объем программ пользователей и данных размещается в ОЗУ (емкость млн. машинных слов, время выборки – 10-20 тактов процессора).
Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин:
шины управления
шины данных
адресной шины
По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.
Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.
Существуют несколько разновидностей памяти:
оперативная
постоянная
внешняя
КЭШ память
CMOS (КМОП)
регистровая
Существование иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости.
Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.
Регистровая память – наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т.д.
КЭШ память по сравнению с регистровой памятью имеет большой объем, но меньшее быстродействие. КЭШ память 1-го уровня располагается внутри процессора, а КЭШ память 2-го уровня – вне процессора (на так называемой материнской плате).
КЭШ память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Работа КЭШ памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).
Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т.д.).
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для хранения переменной информации, программ, составляемых пользователем, исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ допускает изменения своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций.
В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляет тест – мониторные программы (они проверяют работоспособность ПК в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.
Внешние запоминающие устройства предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитных лентах, накопители на жестком диске (винчестеры), накопители на гибких дисках и т.д.